《热泵技术》 课程实验教学讲义 大连理工大学土木水利实验教学中心 建筑环境与设备工程实验室 2012年10月
《热泵技术》 课程实验教学讲义 大连理工大学土木水利实验教学中心 建筑环境与设备工程实验室 2012 年 10 月
热泵制热性能实验 (一)实验目的 I)掌握双级和单级空气源热泵压缩系统的工作原理 2)掌握实际热泵循环效率的影响因素和变工况时系统性能变化规律 3)了解变容量特性对双级压缩热泵性能影响 4)了解节流机构开度对双级压缩热泵机组中间补气量以及系统性能的影响 (二)实验内容 I)根据实验测得的参数绘制制冷剂循环的压焓图。 2)观察室外环境温度对热泵机组制热量和性能的影响,分析空气源热泵低温 适应性 3)节流装置的工作特性分析 (三)实验原理 热泵基础 热泵常采用电能驱动,从低温热源中吸取热量,并将其传输给高温热源以 供使用,传输到高温热源中的热量不仅大于所消耗的能量,而且大于从低温热 源中吸收的能量。在标准工况下,热泵系统消耗一个单位的能量,从低温热源 中提取两个单位的能量,合在一起输出三个单位的能量(见图1)。热泵机组 主要由四部分构成,分别是压缩机,加热盘管(即冷凝器)、膨胀阀、吸热盘 管(即蒸发器)(见图2)。 电能输入 室外环境 蒸发器 冷 热水出 压缩机 用份电能 用户房间 图1热泵原理示意图 图2热泵机组基本构成
1 热泵制热性能实验 （一）实验目的 1) 掌握双级和单级空气源热泵压缩系统的工作原理 2) 掌握实际热泵循环效率的影响因素和变工况时系统性能变化规律 3) 了解变容量特性对双级压缩热泵性能影响 4) 了解节流机构开度对双级压缩热泵机组中间补气量以及系统性能的影响 （二）实验内容 1) 根据实验测得的参数绘制制冷剂循环的压焓图。 2) 观察室外环境温度对热泵机组制热量和性能的影响，分析空气源热泵低温 适应性。 3) 节流装置的工作特性分析 （三）实验原理 热泵基础 热泵常采用电能驱动，从低温热源中吸取热量，并将其传输给高温热源以 供使用，传输到高温热源中的热量不仅大于所消耗的能量，而且大于从低温热 源中吸收的能量。在标准工况下，热泵系统消耗一个单位的能量，从低温热源 中提取两个单位的能量，合在一起输出三个单位的能量（见图 1）。热泵机组 主要由四部分构成，分别是压缩机，加热盘管（即冷凝器）、膨胀阀、吸热盘 管（即蒸发器）（见图 2）。 图 1 热泵原理示意图 图 2 热泵机组基本构成
双级压缩热泵循环 本实验台采用的一次节流不完全中间冷却的双级压缩制冷/热泵循环如图3 所示 PP (a) 图3一次节流不完全中间冷却的双级压缩制冷/热泵循环 压缩过程分两阶段进行 低压级压缩 高压级压缩 蒸发压力 中间压力 冷凝压力 1.来自蒸发器的低温制冷剂蒸气(压力为P0)先进入低压级压缩机,在其 中压缩到中间压力Pm 2.经过中间冷却器冷却,冷却为过热蒸气 3.再进入高压级压缩机,将其压缩为冷凝压力Pk,排入冷凝器中 1)单位质量制冷量:q=h-hg kJ/kg 2)单位容积制冷量:q=q0/v 3)单位冷凝热负荷:qk=h4-hs g 4)低压级单位理论压缩功:wd=h2-h1 5)高压级单位理论压缩功:0=h4-h kJ/k 7)高压级制冷剂的质量流量:Mkg=nh-6kgs 6)低压级制冷剂的质量流量:MRd=Qo/q k h 2
2 双级压缩热泵循环 本实验台采用的一次节流不完全中间冷却的双级压缩制冷/热泵循环如图 3 所示。 (a) (b) 图 3 一次节流不完全中间冷却的双级压缩制冷/热泵循环 压缩过程分两阶段进行： 低压级压缩 高压级压缩 蒸发压力 中间压力 冷凝压力 1. 来自蒸发器的低温制冷剂蒸气（压力为 P0）先进入低压级压缩机，在其 中压缩到中间压力 Pm 2. 经过中间冷却器冷却，冷却为过热蒸气 3. 再进入高压级压缩机，将其压缩为冷凝压力 Pk，排入冷凝器中 1）单位质量制冷量： q0＝h1－h8 kJ/kg 2）单位容积制冷量： qv＝q0 / v1 kJ/ m3 3）单位冷凝热负荷： qk＝h4－h5 kJ/kg 4）低压级单位理论压缩功： w0d＝h2－h1 kJ/kg 5）高压级单位理论压缩功： w0g＝h4－h3 kJ/kg 6）低压级制冷剂的质量流量： MRd＝Q0 / q0 kg/s 7）高压级制冷剂的质量流量： kg/s 3 7 Rg Rd 3 5 h h M M h h ′ ′ − = −
MRd(h-h) 8)性能系数:5=P+ Poe Mrd(h-h)+MR2(h-h) (四)试验装置 空气源热泵制热性能实验装置如图4-图7所示。包括:双级压缩热泵机组, 变频压缩控制系统,电子膨胀阀运行控制系统,湿度控制系统,温度、压力、质 量流量、有用功率等运行参数显示系统,薮据采集系统,乙二醇溶液箱模拟环境 温度系统和冷热恒温室。热泵机组主要由低压压缩机、高压压缩机、中间换热器 室内外换热器、电子膨胀阀等主要部件、附件及制冷剂连接管道构成。在多可变 参数下,能实现高低压压缩机耦合过程的制冷剂循环压焓图,工质循环量、节流 阀的调节特性以及双级/单级压缩热泵系统性能测定等等。 空气制冷剂乙二醇 热泵单双级 空气-水 压缩一节流单元 换热单元 可 指示仪 wx合 高压级 压缩机 压缩机 3回e 制热循环+ 乙醇循环 油循环w毛细管 ①温度传感器@压力传感器转子流量计旦质量流量计电子阀目气液分离器 油分离器 员调节阀 南电磁阀 K止回阀 截止阀 图4空气源热泵系统图
3 8）性能系数： ( ) () () 0 Rd 1 8 0 od og Rd 2 1 Rg 4 3 Q M hh P P M hh M hh ε ⋅ − = = + −+ − （四）试验装置 空气源热泵制热性能实验装置如图 4--图 7 所示。包括：双级压缩热泵机组， 变频压缩控制系统，电子膨胀阀运行控制系统，湿度控制系统，温度、压力、质 量流量、有用功率等运行参数显示系统，数据采集系统，乙二醇溶液箱模拟环境 温度系统和冷热恒温室。热泵机组主要由低压压缩机、高压压缩机、中间换热器、 室内外换热器、电子膨胀阀等主要部件、附件及制冷剂连接管道构成。在多可变 参数下，能实现高低压压缩机耦合过程的制冷剂循环压焓图，工质循环量、节流 阀的调节特性以及双级/单级压缩热泵系统性能测定等等。 低压级 压缩机 高压级 压缩机 板式 换热器 板式 换热器 乙二醇 恒温箱 风机 盘管 水泵 截止阀 温度传感器 压力传感器 制热循环 水循环 乙醇循环 a d b c 止回阀 转子流量计 质量流量计 电子膨胀阀 调节阀 制冷循环 T P 加热设备 四通阀 混合室 P T T P T T T T T 水泵 闪 蒸 P 器 T T 液位 指示仪 液位 指示仪 储 液 罐 T T 中间板式 换热器 2# 1$ 3 油循环 电磁阀 1& 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 14 16 17 18 1* 风机 盘管 风机 盘管 翅片管式 换热器 毛细管 气液分离器 油分离器 1# 3# 2* 3* 4* 5* 6* 7* 8* 9* 2& 3& 2$ 3$ T P T T 空气-制冷剂 换热单元 乙二醇 恒温单元 热泵单双级 压缩-节流单元 换热单元 空气-水 P 图 4 空气源热泵系统图
4 1-低压级压缩机2-高压级压缩机3-低压侧储液器4高压侧储液器 5-低压机气液分离器6-高压机气液分离器7-低压机油分离器8-高压机油分离器 9-蒸发板式换热器10-冷凝板式换热器11中间板式换热器12中间混合室 13-1“电子膨胀阀142电子膨胀阀15-液位计 16-冷凝器侧质量流量计 7-蒸发侧质量流量计18-中间喷射侧质量流量计 图5实验台虚拟连接图 数据采 空气-水 变散 s 节装置 低温室 常温室 乙二醇恒温单元 压缩节流单元 图6恒温恒湿室 图7实验台总体布置 实验台数据采集系统的主要作用是对工况恒定且运行平稳的实验台各运行 参数进行采集和存储,以便于对实验系统性能进行数据分析(图7)。为此,本 实验台的数据采集系统选用了具有较高精度的测试仪器以及具有6位半精度的 KEITHLEY-2700数据采集仪和2块具有40AD转换通道的7702数据采集卡对 所有温度、压力和流量等参数进行采集,并通过RS232接口与计算机连接,实
4 1-低压级压缩机 2-高压级压缩机 3-低压侧储液器 4-高压侧储液器 5-低压机气液分离器 6-高压机气液分离器 7-低压机油分离器 8-高压机油分离器 9-蒸发板式换热器 10-冷凝板式换热器 11-中间板式换热器 12-中间混合室 13-1# 电子膨胀阀 14-2# 电子膨胀阀 15-液位计 16-冷凝器侧质量流量计 17-蒸发侧质量流量计 18-中间喷射侧质量流量计 图 5 实验台虚拟连接图 图6 恒温恒湿室 图7 实验台总体布置 实验台数据采集系统的主要作用是对工况恒定且运行平稳的实验台各运行 参数进行采集和存储，以便于对实验系统性能进行数据分析（图 7）。为此，本 实验台的数据采集系统选用了具有较高精度的测试仪器以及具有 6 位半精度的 KEITHLEY-2700 数据采集仪和 2 块具有 40A/D 转换通道的 7702 数据采集卡对 所有温度、压力和流量等参数进行采集，并通过 RS232 接口与计算机连接，实
现传感器与计算机之间的数据传输和存储。各仪器设备具体性能参数详见表1。 表1数据采集系统各设备的性能参数 名称 型号 特征参数 运行范围 精度 实物 线A级 温度传感器 Pt100 不锈钢52mm标准型-50℃-20℃c=015 0大约10s 0.002T) MIDAS SOS 4-20mA2线 抗过载性-01~4MPa0~MPa≤kP 401010-459 I9大约≤5 压力传感器 1~5V3线 MIDAS SOS 抗过载性0.1~10MPa 0-4MPa <20kPa 401010-459 Iog大约≤5ms 介质温度:-40-80℃ 转子流量计 介质粘度:≤5×105m2/s LWGYA10 ±0.2%FS 耐受压力:32MPa 模拟量输出:4~20mA KLB-CMFI-DN3 流体温度:-40~-200℃ 0-350kgh|±0.2%FS 环境温度:0~40℃ 质量流量计 环境湿度:<90%RH KLB-CMFI-DN1O 模拟量输出:4-20mA0120gh2|±02%F 流体温度:-50~200℃ 磁翻板液位 TQ-UHZ 耐受压力:4MPa 0~0.25m ±4%FS 模拟量输出:4-20mA 电功率变送 最大电压:AC330V ZW1603 ±(04示值 器 最大电流:15A +0量程) 2个插槽 电压、电流 六位半采 数据采集仪 KEITHLEY2700 程控接口:RS-232 电阻和频率 集精度 等进行测量 注:os为到达最终读数90%处所需的时间
5 现传感器与计算机之间的数据传输和存储。各仪器设备具体性能参数详见表 1。 表 1 数据采集系统各设备的性能参数 名称 型号 特征参数 运行范围 精度 实物 温度传感器 Pt100 4 线 A 级 不锈钢 5.2mm 标准型 Γ0.9 大约 10s -50℃~200℃ ±(0.15+ 0.002·|T|) 压力传感器 MIDAS S05 401010-459 4~20mA 2 线 抗过载性-0.1~4MPa Γ0.9 大约≤5ms 0~1MPa ≤5kPa MIDAS S05 401010-459 1~5V 3 线 抗过载性-0.1~10MPa Γ0.9 大约≤5ms 0~4MPa ≤20kPa 转子流量计 LWGYA10 介质温度：-40~80℃ 介质粘度：≤5×10-6 m 2 /s 耐受压力：32MPa 模拟量输出：4~20mA 0.15~1.5m3 h-1 ±0.2%FS 质量流量计 KLB-CMFI-DN3 流体温度：-40~200℃ 环境温度：0~40℃ 环境湿度：≤90%RH 模拟量输出：4~20mA 0~350kgh-1 ±0.2% FS KLB-CMFI-DN10 0~1200kgh-1 ±0.2% FS 磁翻板液位 计 TQ-UHZ 流体温度：-50~200℃ 耐受压力：4MPa 模拟量输出：4~20mA 0~0.25m ±4% FS 电功率变送 器 ZW1603 最大电压：AC330V 最大电流：15A 0~5kWh ±(0.4 示值 +0.1 量程) 数据采集仪 KEITHLEY-2700 2 个插槽 程控接口：RS-232 电压、电流、 电阻和频率 等进行测量 六位半采 集精度 注：Γ0.9 为到达最终读数 90%处所需的时间
电子胀阀 热敏电阻 I Ir 水泵 转子流量计 风机盘管 数据显示柜可视化控制程序 科氏流量计 胃压器 压力表 压缩机变频控制器 压缩机 图8测试监控系统流程图 (五)试验步骤 1)检査整个系统装置,若无异常各装置按顺序接通电源(需在老师指导下完成)。 2)如需开冷库,将冷库温度调节并控制在预先设定温度上, 3)冷库温度达到设定温度后开机组,系统稳定后记录数据。 4)分析整理数据。 5)试验完成后按指导老师要求关闭机组、电源 (六)试验数据记录及处理 1)实验概况记录 实验名称 ;试验时间 年月日 环境温度: C 机组型号 机组铭牌制冷(热)量: kW;机组铭牌功率: 泵铭牌功率: kW;试验人员: 指导老师: 2)试验数据记录
6 图 8 测试监控系统流程图 （五）试验步骤 1）检查整个系统装置，若无异常各装置按顺序接通电源（需在老师指导下完成）。 2）如需开冷库，将冷库温度调节并控制在预先设定温度上。 3）冷库温度达到设定温度后开机组，系统稳定后记录数据。 4）分析整理数据。 5）试验完成后按指导老师要求关闭机组、电源。 （六）试验数据记录及处理 1) 实验概况记录 实验名称： ； 试验时间： 年 月 日； 环境温度： ℃； 机组型号： ； 机组铭牌制冷（热）量： kW； 机组铭牌功率： kW； 泵铭牌功率： kW； 试验人员： ； 指导老师： 。 2) 试验数据记录
表2热泵性能测试记录表 组号P1P2P3P4112t14156W|C 2 P1、t为低压压缩机吸气压力温度; P2、t为低压压缩机排气压力温度 P3、t为高压压缩机吸气压力温度; P4、4为高压压缩机排气压力温度; T、l6为水泵进出口温度 W为机组总耗电量。 (七)思考题 1)通过理论计算获得空气源热泵的理论制热性能COP值,比较实验值与理论值 的差距,试指出导致这种差异的原因; 2)低温环境下制热量及COP下降明显,试分析其原因; 3)分析影响双级压缩热泵系统性能的因素 4)分析双级压缩热泵热泵系统中两个节流机构开度关系
7 表 2 热泵性能测试记录表 组号 P1 P2 P3 P4 t1 t2 t3 t4 t5 t6 W COP 1 2 3 4 5 P1、t1 为低压压缩机吸气压力温度； P2、t2 为低压压缩机排气压力温度； P3、t3 为高压压缩机吸气压力温度； P4、t4 为高压压缩机排气压力温度； T5、t6 为水泵进出口温度； W 为机组总耗电量。 （七）思考题 1）通过理论计算获得空气源热泵的理论制热性能 COP 值，比较实验值与理论值 的差距，试指出导致这种差异的原因； 2）低温环境下制热量及 COP 下降明显，试分析其原因； 3）分析影响双级压缩热泵系统性能的因素； 4）分析双级压缩热泵热泵系统中两个节流机构开度关系